Решения задач заочного тура
VII Открытой олимпиады по химии 2012.
Задача 1. Необычный минерал. (17 баллов).
Французский химик, прославившийся получением в конце XIX века очень «агрессивного» газообразного вещества (за что в частности и получил в 1906 году Нобелевскую премию), нашёл как-то в каньоне Диабло в штате Аризона, США зелёный минерал, названный впоследствии в его честь. Минерал представляет собой бинарное соединение элементов X и Y. Элемент Y является вторым по распространённости в земной коре. Для элемента X учёный впоследствии синтезировал множество бинарных соединений, используя изобретённую им электрическую печь. Так, из некоторого количества элемента X и 10.8 г металла A получается соединение, которое легко гидролизуется водой с выделением 6.72 л газа (н.у.). А из того же количества элемента X и 6 г металла B образуется соединение, дающее при гидролизе 3.36 л другого газа (н.у.).
1. Определите элементы A, B, X, Y.
2. Напишите уравнения всех упомянутых реакций. Каковы условия их проведения?
3. О каком химике идёт речь в задаче? Какое «агрессивное» вещество ему удалось получить? Приведите
уравнение реакции.
Решение.
Вторым по распространённости в земной коре является кремний Si – элемент Y. Элемент X должен быть неметаллом, так при гидролизе бинарных соединений с металлами образуются газообразные вещества. Так как из одинакового количества элемента X образуются разные газы и при этом в количествах, различающихся в 2 раза, то в одном газе атомов элемента X в 2 раза больше, чем в другом. Наиболее подходящим неметаллом на эту роль является углерод – элемент X. Разумно предположить, что это карбиды ряда метанидов и ацетиленидов.
Определим металлы A и B.
A4Cx – метанид
A4Cx + 4xH2O = 4A(OH)x + xCH4
ν (A4Cx) = ; М (А) = = 9x , где x – валентность элемента A. Для x = 3 M (A) = 27 – алюминий.
BxC2 – ацетиленид
BxC2 + 2H2O = B(OH)2x + C2H2
ν (BxC2) = ν (C2H2) = = 0.15 моль; ν(B) = 0.15 x; M (B) = = , где 2x – валентность элемента B.
Единственно возможный ответ при x = 1 – кальций.
Таким образом, неизвестные бинарные соединения карбид алюминия Al4C3 и карбид кальция CaC2.
4Al + 3C → Al4C3;
Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑;
Ca + 2C → CaC2;
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2↑.
Зелёный минерал SiC – муассанит, названный в честь Фердинанда Фредерика Анри Муассана (1852–1907), который он и обнаружил в 1893 году в каньоне Диабло. Анри Муассан получил в 1906 году Нобелевскую премию «за большой объём проделанных им исследований, за получение элемента фтора и введение в лабораторную и промышленную практику электрической печи, названной его именем».
Фтор получается электролизом безводной HF с добавкой KF:
2HF → H2 (катод) + F2 (анод).
Система оценок:
по 2 балла за элементы X, Y, A, B — всего 8 баллов;
по 1 баллу за уравнения реакций — всего 5 баллов;
2 балла за фамилию учёного и 2 балла за упоминание о фторе — всего 4 балла.
Сумма: 17 баллов.
Задача 2. Цепочка реакций. (7 баллов.)
Напишите уравнения реакций, соответствующих следующим превращениям (первой указана степень окисления атома в одном из реагентов, далее – в одном из продуктов, который, в свою очередь, является реагентом для следующей стадии):
Si+4 → P0 → Br-1 → P+3→ Mn+2→ Na+ → S-2.
Решение.
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + 2P (1 балл)
2P + 3Br2 → 2PBr3 (1 балл)
PBr3 + 3H2O → H3PO3 + 3HBr (1 балл)
5H3PO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + 5H3PO4 + 3H2O + K2SO4 (2 балла)
MnSO4 + 2NaOH → Mn(OH)2 + Na2SO4 (1 балл)
Na2SO4 + BaS → BaSO4 + Na2S (1 балл)
Сумма: 7 баллов.
Задача 3. Синтез «TrCl». (19 баллов.)
Формулу соединения Х профессиональные химики-органики часто сокращенно обозначают в виде «TrCl». Это соединение можно получить, например, по следующей схеме:
1. Приведите структурные формулы и названия веществ А – З и соединения Х.
2. Соединение Х можно получить из вещества Б и значительно более коротким путем – всего лишь в одну стадию. Попробуйте предложить уравнение этой реакции (с указанием условий ее проведения, всех продуктов и стехиометрических коэффициентов).
Решение.
Примечание: для веществ А – З возможны и другие названия, которые засчитываются в качестве правильного ответа (например, ацетилен – этин, толуол – метилбензол, бромбензол – фенилбромид, метилбензоат – метиловый эфир бензойной кислоты и т.д.).
2. Способ получения тритилхлорида (TrCl) из бензола в одну стадию основан на реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце – алкилирование бензола четыреххлористым углеродом в присутствии кислоты Льюиса (AlCl3).
Интересно отметить, что при этом в реакции участвуют не все атомы хлора в составе молекулы исходного CCl4 (три из четырех).
Система оценок:
По 1 баллу за каждое соединение в схеме – всего 9 баллов;
по 0,5 баллов за название каждого соединения, но в сумме не более 4 баллов;
2 балла за расшифровку обозначения TrCl – тритилхлорид;
4 балла за более короткий способ получения тритилхлорида.
Сумма: 19 баллов.
Задача 4. Кислоты и основания. (12 баллов).
Приведите примеры реакций между двумя кислотами при условии, что: а) обе кислоты – неорганические б) одна кислота органическая, другая – неорганическая. Решите аналогичную задачу для двух оснований. Для каждого случая напишите не более двух уравнений реакций.
Решение.
Наиболее простые реакции между двумя кислотами – окислительно-восстановительные, а между двумя основаниями – комплексообразования.
Например:
а) H2S + H2SO4 = S + SO2 + 2H2O
HOOC–COOH + H2SO4 = CO2 + SO2 + H2O
б) 2NaOH + Zn(OH)2 = Na2[Zn(OH)4]
Cu(OH)2 + 4N(СН3)3 = [Cu(N(СН3)4](OH)2
Однако возможны и другие реакции.
Система оценок:
По 3 балла за каждую реакцию.
Сумма: 12 баллов.
Задача 5. Органические кислоты. 16 баллов.
Многие органические вещества имеют тривиальные названия. Соотнесите приведенные ниже названия органических кислот со структурными формулами: пикриновая, винная, глутаминовая, лимонная, левулиновая, яблочная, пировиноградная, янтарная, капроновая, галловая, валериановая, барбитуровая, аскорбиновая, сульфаниловая, салициловая и аспарагиновая кислоты.
Решение.
Система оценок:
По 1 баллу за определение соответствия формулы и названия кислоты.
Сумма: 16 баллов.
Задача 6. Сплав натрия с алюминием (20 баллов)
5,08 г сплава натрия с алюминием растворили в 62,0 мл раствора хлорида ртути (II), имеющего плотность 1,053 г/мл и содержащего 5,00 масс. % соли. В результате выделилось 4,66 л (н.у.) газа. Найти массовые доли металлов в сплаве, состав выпавшего осадка и массовые доли веществ в полученном растворе, с учетом того, что ртуть восстановилась полностью.
Решение.
Количество вещества хлорида ртути (II) (и, соответственно, ртути) равно:
n(HgCl2) = n(Hg) =62,0 1,053 0,05/272=0,0120 моль.
Количество вещества выделившегося водорода:
n(H2) = 4,46/22,4 = 0,208 моль.
Поскольку часть водорода пошла на восстановление ртути, общее количество вещества водорода составит:
n(H2) =0,012 + 0,208 = 0,220 моль.
Рассчитываем количество вещества натрия и алюминия в сплаве (полагая, например, что х моль натрия выделяет из раствора 0,5х моль водорода, а у моль алюминия – 1,5у моль). Весь амальгамированный алюминий растворился в водном растворе, поскольку в присутствии ртути пленка оксида алюминия уже не образуется на его поверхности.
Система уравнений получается следующая:
23х +27у = 5,08;
0,5х + 1,5у = 0,220.
Решая эту систему, получаем
х = 0,08;
у = 0,12.
Отсюда находим массы и массовые доли металлов в сплаве:
m(Na) = 23 0,08 = 1,84 г, или 36,2%;
m(Al) = 27 0,12 = 3,24 г, или 63,8%.
Наличие в исходном растворе 0,0120 моль хлорида ртути означает, что после ее выделения в этом растворе останется 0,024 моль ионов хлора. Таким образом, в конечном растворе образуется 0,024 моль NaCl и 0,056 моль NaOH.
0,056 моль гидроксида натрия переведут в раствор 0,056 моль гидроксида алюминия:
NaOH + Al(OH) = Na[Al(OH)4].
В осадке останется 0,120 – 0,056 = 0,064 моль гидроксида алюминия (5,0 г). Кроме того, в осадке будет находиться вся ртуть – 2,4 г.
Находим массу конечного раствора:
М = М(исх.р-ра HgCl2) + 5,08 – m(Hg) – m(Al(OH)3 – m(H2).
M = 62,0 1,053 + 5,08 – 2,4 – 5,0 – 0,208 2= 65,29 +5,08 – 2,4 – 5,0 – 0,42 = 62,55 г.
Массовые доли хлорида натрия и тетрагидроксоалюминита натрия составят:
w (NaCl) = 0,024 58,5/62,55 = 0,0225 или 2,25%;
w (Na[Al(OH)4]) = 0,056 118/62,55 = 0,106 или 10,6%.
Система оценок:
8 баллов за расчет массовых долей металлов в сплаве;
8 балла за расчет массовых долей веществ в полученном растворе;
4 балла за установление формулы и массы осадка;
Сумма: 20 баллов.
Достарыңызбен бөлісу: |